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Faseroptischer Stromsensor
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Die Erfindung bezieht sich auf einen faseroptischen Stromsensor für
Schutzzwecke.
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Es sind faseroptische Stromsensoren bekannt, die den Faraday-Effekt
ausnutzen. Bei dem bekannten Faraday-Effekt wird in bestimmten lichtleitenden Materialien
die Polarisationsebene eines linear polarisierten Lichtstrahls unter dem Einfluß
eines Magnet feldes, das sich entlang dem Lichtstrahl erstreckt, um eine Achse gedreht,
die parallel zum Lichtstrahl verläuft. Das Ausmaß der Drehung der Polarisationsebene
ist im wesentlichen proportional zur Größe des Magnetfeldes.
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Es ist ein optischer Schalter für Lichtleiterkommunikationsnetze bekannt,
der eine geringe Schaltenergie benötigt. Er erhält einen beweglichen und zwei feste
Lichtleitfasern, eine Spule und ein Paar Permanentmagnete. Die bewegliche Lichtleitfaser
ist im Bereich der Spule mit einer magnetischen Legierungsschicht versehen. Außerdem
ist die Spule im Magnetfeld der Permanentmagnete angeordnet. Die bewegliche Lichtleiterfaser
und eine befestigte Lichtleitfaser sind axial angeordnet. Die axiale Magnetisierung
der magnetischen Legierungsschicht kann mit Hilfe der Spule umgekehrt werden. Somit
kann die bewegliche Lichtleitfaser zwischen den beiden befestigten Lichtleitfasern
schalten (Elektronics, Februar 9, 1984, Seite 82).
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen faseroptischen
Stromsensor für Schutzzwecke anzugeben,
der bei einfachem Aufbau
eine ausreichende Empfindlichkeit und Potentialtrennung hat. Außerdem soll eine
nahezu beliebige Entfernung zwischen Sensor und Auswerteelektronik möglich sein
und die auswertbare Bandbreite dieses faseroptischen Stromsensors soll möglichst
einige kHz betragen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1. Dadurch, daß wenigstens ein Ende der axial einander gegenüber
angeordneten Enden der beiden Lichtleitfasern mit einer Permanentmagnetschicht versehen
ist und in einem Magnetfeld eines stromführenden Leiters angeordnet sind, wirkt
auf dieses Ende eine Kraft. Diese Kraft bewirkt eine Versetzung der einander gegenüber
angeordneten Enden gegeneinander und somit eine Schwächung der Transmission des
Lichtes, das von der Lichtquelle in die erste Lichtleitfaser eingespeist wird. Diese
Schwächung ist ein Maß für den durch den Leiter fliessenden Strom. Durch die Verwendung
von Lichtleitfasern ist eine Potentialtrennung für annähernd beliebige Potentialdifferenzen
gegeben. Somit ist eine bevorzugte Anwendung des faseroptischen Stromsensors bei
Strommessungen in Hochspannungsanlagen für Schutz zwecke vorgesehen. Durch die Faserlänge
der Enden der ersten und zweiten Lichtleitfaser und durch die Magnetmasse der Permanentmagnetschichten
wird die Bandbreite dieses faseroptischen Stromsensors bestimmt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des faseroptischen Stromsensors
sind die axial einander gegenüber angeordneten Enden der ersten und zweiten Lichtleitfaser
parallel zur Symmetrieachse eines stromführenden Leiters angeordnet und jeweils
mit einer Permanentmagnetschicht versehen. Als Lichtquelle ist
eine
lichtemittierende Diode LED vorgesehen. Bei dieser Anordnung sind jeweils die an
den magnetischen Enden wirksamen Kräfte und die daraus resultierenden Drehmomente
bezogen auf die Haltevorrichtung gleich groß aber entgegengesetzt gerichtet. Das
wirksame Magnetfeld im Bezug auf die magnetischen Enden der Lichtleitfasern ist
beispielsweise homogen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des faseroptischen
Stromsensors sind die axial einander gegenüber angeordneten Enden der ersten und
zweiten Lichtleitfaser parallel zur Symmetrieachse einer stromführenden Stromschleife
angeordnet. Durch diese Gestaltung des Stromleiters wird die Homogenität und Stärke
des Magnetfeldes erhöht.
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Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in
der ein Ausführungsbeispiel eines faseroptischen Stromsensors nach der Erfindung
schematisch veranschaulicht ist.
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Figur 1 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform gemäß der Erfindung
und in Figur 2 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
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In der Ausführungsform nach Figur 1 enthält ein faseroptischer Stromsensor
eine Lichtquelle 2, zwei Lichtleitfasern 4 und 6, einen Fotoempfänger 8 und eine
Auswerteelektronik 10. Das eine Ende 12 der ersten Lichtleitfaser 4 ist mit der
Lichtquelle 2 und das eine Ende 14 der zweiten Lichtleitfaser 6 ist mit dem Fotoempfänger
8, der beispielsweise eine Fotodiode ist, verbunden. Die beiden anderen Enden 16
und 18 sind jeweils mit einer Permanentmagnetschicht 20 bzw. 22 versehen. Die mit
den Permanentmagnetschichten 20 und
22 versehenen Enden 16 und 18
sind mit einer-Haltevorrichtung 24 jeweils beispielsweise in unmittelbarer Nähe
eines stromführenden Leiters 26 angeordnet. Die Permanentmagnetschichten 20 und
22 sind jeweils an den Enden 16 und 18 axial polarisiert. Die Enden 16 und 18 werden
axial einander gegenüber und parallel zur Symmetrieachse 28 des Leiters 26 derart
angeordnet, daß beispielsweise bei einem stromlosen Leiter 26 eine maximale Transmission
des Lichtes der Lichtquelle 2 erreicht wird. Als Lichtquelle 2 ist beispielsweise
eine Glühlampe, vorzugsweise ein Laser, insbesondere eine lichtemittierende Diode
LED, vorgesehen. Wenn ein Strom I durch den Leiter 26 fließt, wirkt jeweils eine
Kraft auf die Enden 16 und 18 der Lichtleitfasern 4 und 6 infolge des entstandenen
Magnetfeldes. Dieses Magnetfeld ist in Bezug auf die Enden 16 und 18 homogen, d.h.
die Kräfte bzw. die daraus resultierenden Drehmomente sind dem Betrag gleich groß.
Durch die einwirkenden Kräfte werden die Enden 16 und 18 gegenüber ihrer Ruhelage
gegeneinander versetzt, d.h. die Bewegungsrichtung am Ende 16 ist aus der Zeichenebene
herausgerichtet und die Bewegungsrichtung am Ende 18 ist in die Zeichenebene hineingerichtet.
Dadurch wird die Transmission des Lichtes, das vom Fotoempfänger 8 empfangen wird,
geschwächt. In der anschließenden Auswerteelektronik 10, die beispielsweise ein
Mikrocomputer sein kann, wird jedem Transmissionswert in einem vorbestimmten Strombereich,
der beispielsweise etwa das 10-fache des Nennstroms beträgt, ein Stromwert zugeordnet.
Im Kurzschlußfall, wenn der Wert des durch den Leiter 26 fließenden Stromes I beispielsweise
etwa gleich dem 100-fachen des Nennstromes ist, ermittelt die Auswerteelektronik
10 beispielsweise aus der Steilheit der Transmissionsänderung von 100 % auf 0 %
den Stromwert des tatsächlich fließenden Stromes 1.
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In einer weiteren Ausführungsform nach Figur 2 sind die axial einander
gegenüber angeordneten mit den Permanentmagnetschichten 20 und 22 versehenen Enden
16 und 18 der Lichtleitfasern 4 und 6 senkrecht zur Symmetrieachse 28 des Stromleiters
26 angeordnet. Das durch den stromführenden Leiter 26 entstandene Magnetfeld ist
beispielsweise durch gestrichelte kreisförmige Linien 30 veranschaulicht. An den
Enden 16 und 18 der Lichtleitfasern 4 und 6 wirken Kräfte F1 und F2, die unterschiedlich
groß und entgegengesetzt sind. Die unterschiedlichen Beträge der Kräfte F1 und F2
sind durch unterschiedliche Längen der Pfeile in der Figur veranschaulicht. Die
Wirkrichtung der Kräfte F1 bzw. F2 ist jeweils das Ergebnis der Überlagerung des
Magnetfeldes des stromdurchflossenen Leiters 26 mit dem der Dipole an den Enden
16 bzw. 18 der Lichtleitfasern 4 bzw. 6. Das Ende 16, daß der Symmetrieachse 28
beispielsweise näher zugeordnet ist, wird infolge der größeren Kraft stärker aus
seiner Ruhelage ausgelenkt, als das Ende 18. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn man
beispielsweise nur das dem Stromleiter 26 am nächsten angeordnete Ende 16 der Lichtleitfaser
4 mit einer Permanentmagnetschicht 20 versieht. Die unterschiedlichen Kräfte entstehen
dadurch, daß das Magnetfeld des stromdurchflossenen Leiters 26 in Bezug auf die
Enden 16 und 18 inhomogen ist.
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Durch diese Gestaltung erhält man einen sehr empfindlichen, faseroptischen
Stromsensor, den man in der Nähe eines stromführenden Leiters 26, beispielsweise
einer Hochspannungsleitung, anordnen kann und der vorzugsweise im Bereich hoher
Ströme eingesetzt werden kann.
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Außerdem kann man den Strom im Leiter 26 potentialfrei messen und
die Entfernung zwischen Sensor und Auswerteelektronik 10 nahezu beliebig, beispielsweise
etwa
einige m, bis zu einem km, wählen. Mit diesem einfach aufgebauten Stromsensor kann
man Wechselstrom und auch unter Umständen Gleichstrom messen, wobei man an die Lichtquelle
2 keine hohen Anforderungen, beispielsweise Stabilität oder Intensität des Lichtes,
stellen braucht, beim Messen von Wechselstrom ist im Feldnulldurchgang ein Referenzpunkt
vorhanden. Durch diesen Referenzpunkt kann man auf einfache Weise etwaige Umwelteinflüsse
auf dem Übertragungsweg, sowie Alterung der Lichtquelle und des Empfängers korrigieren.
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8 Patentansprüche 2 Figuren